(57)【要約】【課題】  本発明は、マイクロ波電源回路に過負荷をかけることなく被処理基体を均一に処理する装置を提供することを目的に、処理室内へのマイクロ波均一導入とマイクロ波電圧定在波比を小さくすることの両立を課題としている。【解決手段】  無終端環状導波管に設けた複数スロットよりマイクロ波を放出する装置であって、前記無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率のみを、その他スロットのマイクロ波放出率より小さくすることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無終端環状導波管に設けた複数スロットよりマイクロ波を放出する装置であって、前記無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率のみを、その他スロットのマイクロ波放出率より小さくすることを特徴とするマイクロ波放出装置。
【請求項２】
前記マイクロ波放出率を、スロット開口面積により調整することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波放出装置。
【請求項３】
前記無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットの開口面積を、その他スロット開口面積の５０％以上かつ１００％未満とすることを特徴とした請求項２記載のマイクロ波放出装置。
【請求項４】
前記マイクロ波放出率を、スロット深さにより調整することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波放出装置。
【請求項５】
前記無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットの深さを、その他スロット深さより長く２倍より短いことを特徴とした請求項４記載のマイクロ波放出装置。
【請求項６】
処理室と、前記マイクロ波放出装置からのマイクロ波を処理室に透過する窓と、処理室にガスを導入する手段と、処理室から排気する手段と、非処理基体保持手段とを備え、処理室にマイクロ波を放出することを特徴とした請求項１記載のマイクロ波放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を均等放出する装置に関する。また、該マイクロ波放出装置を用い生成したプラズマにより被処理基体表面を加工する装置に関する。更に言えば、半導体ドライプロセス、液晶表示装置等に用いられる光透過材やレンズの光反射防止処理、人工骨などの人工生体部品を生体と親和しやすくしたり強度を増したりするための表面改質処理等々の加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第３１１８２２５号、特許第３０９３７１８号、特許第２９２５５３５号などに開示されている従来技術の無終端環状導波管を有するマイクロ波導入装置は、無終端環状導波管に複数スロットを設け、プラズマ発生室内にマイクロ波を供給している。マイクロ波電源から伝播したマイクロ波は、無終端環状導波管入口で２方向に分配され、無終端環状導波管の両側に伝播するとともに、複数スロットよりプラズマ室内に伝播する。プラズマ室内にマイクロ波を均一に導入するため、同一形状スロットを無終端環状導波管に等間隔で配置している。
【０００３】
従来例を、図８マイクロ波表面波干渉プラズマ処理装置例により、詳細に説明する。１は処理室、２は被処理基体、３は被処理基体２を保持する被処理基体載置台、４はヒーター、５は処理用ガス導入手段、６は排気口、８はマイクロ波を処理室１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、１１は無終端環状導波管８にマイクロ波管内波長の１/２毎に設けられたスロット、７は処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、１０は無終端環状導波管を冷却する冷却水路である。マイクロ波導入部９９に、４スタブチューナ、方向性結合器、アイソレータ、２．４５ＧＨｚマイクロ波電源（不図示）を順番に接続した。
【０００４】
プラズマ室内にマイクロ波を均一に導入するため、矩形スロット１１を、等間隔に６個配置した。
【０００５】
マイクロ波を、マイクロ波導入部９９から導入し、無終端環状導波管８の両側に伝搬させ、管内波長の１／２間隔で電界の強いいわゆる“腹”を生じさせる。無終端環状導波管８内表面を流れる電流が最大になる“腹”と“腹”の間の位置にスロット１１を設け、マイクロ波をプラズマ発生室１に導入する。プラズマ発生室１に導入したマイクロ波により、プラズマを励起する。
【０００６】
以上説明した従来技術の無終端環状導波管を有するマイクロ波導入装置によって、均一に分布するプラズマを得ている。しかしながら、スロット１１の長さを３７ｍｍとし各スロット１１からのマイクロ波放出を小さくしたため、インピーダンス自動整合器を使用しない場合のマイクロ波反射電力は、マイクロ波入射電力の約６０％もある。このマイクロ波電圧定在波比は、４であり、大きい。マイクロ波電源回路部品をこのように大きなマイクロ波電圧定在波比で使用すると、マイクロ波電源回路部品に過負荷となり、プラズマ発生以外でのマイクロ波電力損失を生じ易い場合がある。
【特許文献１】特許第３１１８２２５号公報
【特許文献２】特許第３０９３７１８号公報
【特許文献３】特許第２９２５５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上説明したように、従来技術は、処理室内にマイクロ波を均一に導入するため各スロットから導入するマイクロ波を小さく絞っているので、マイクロ波電圧定在波比を大きくする問題をもっている。
【０００８】
本発明マイクロ波放出装置は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波電源回路に過負荷をかけることなく被処理基体を均一に処理する装置を提供することを目的に、処理室内へのマイクロ波均一導入とマイクロ波電圧定在波比を小さくすることの両立を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、無終端環状導波管に設けた複数スロットよりマイクロ波を放出する装置であって、前記無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率のみをその他スロットのマイクロ波放出率より小さくすることを特徴とした構成により、マイクロ波放出率の大きいスロットの利用を可能とし、上記課題を解決した。
【００１０】
本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管に設けたスロットを従来技術スロットより大きな開口面積とすることで、スロットからマイクロ波をより多く放出し、マイクロ波電圧定在波比をより小さくしている。また、本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管のマイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率をその他スロットより小さくすることで、無終端環状導波管内において最もマイクロ波電力強度の大きなマイクロ波導入部から放出するマイクロ波電力をその他スロットから放出するマイクロ波電力とほぼ等しくし、無終端環状導波管に設けたスロットからマイクロ波を均一に放出している。このように、マイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率とその他スロットのマイクロ波放出率を適正に選択することで、マイクロ波均一放出とマイクロ波電圧定在波比低減とを両立するという上記課題を解決した。
【００１１】
本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管に設けたスロットからのマイクロ波放出率をスロット開口面積により調節している。スロット長を、無終端環状導波管内のマイクロ波管内波長の１／２近辺で、長くするとスロットのインピーダンスを小さくできマイクロ波放出率を大きくできる、また、スロット長を短くするとスロットのインピーダンスを大きくできマイクロ波放出率を小さくできる。また、スロット幅を小さくするとスロットのインピーダンスを大きくできマイクロ波放出率を小さくできる、また、スロット幅を大きくするとスロットのインピーダンスを小さくできマイクロ波放出率を大きくできる。であるから、無終端環状導波管に設けたスロットからのマイクロ波放出率をスロット開口面積により調整でき、スロット開口面積を大きくするほどスロットからのマイクロ波放出率を大きくできる。
【００１２】
本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットの開口面積を、好ましくはその他スロット開口面積の５０％以上かつ１００％未満、さらに好ましくは８０以上１００％未満、さらに好ましくはスロット長をマイクロ波管内波長の１／２より大きくすることにより、マイクロ波均一放出とマイクロ波電圧定在波比低減とを両立するという上記課題を解決した。
【００１３】
本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管に設けたスロットからのマイクロ波放出率を、スロット深さにより調整している。スロット深さを深くするとインピーダンスを大きくできマイクロ波放出率を小さくできる。
【００１４】
本発明マイクロ波放出装置の無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットの深さを、好ましくはその他スロット深さの等倍より長く２倍より短くすることにより、マイクロ波均一放出とマイクロ波電圧定在波比低減とを両立するという上記課題を解決した。
【００１５】
従来技術マイクロ波放出装置はマイクロ波電圧定在波比よりマイクロ波放出均一性を優先しているが、本発明マイクロ波放出装置はマイクロ波放出均一性とマイクロ波電圧定在波比低減を両立する。したがって、本発明マイクロ波放出装置は、従来技術と比較し、十分な進歩性を有している。
【００１６】
また、従来技術マイクロ波放出装置は、スロット形状を限定していないが結論的に固定形状スロットを用いており、本発明の無終端環状導波管へのマイクロ波導入部に最も近いスロットのマイクロ波放出率のみを小さくする効果につき開示していない。よって、本発明マイクロ波放出装置は、従来技術と比較し、十分な新規性を有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明マイクロ波放出装置は、無終端環状導波管に設けたスロットから従来技術と同程度均一にマイクロ波を放出することとマイクロ波電圧定在波比をマイクロ波電源回路を安全に利用できる２以下まで小さくすることを両立する効果を持つ。また、これにより、マイクロ波電源回路に過負荷をかけることなく被処理基体を均一に処理する装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
本発明マイクロ波放出装置例を、図１により、詳細に説明する。１は処理室、２は被処理基体、３は被処理基体２を保持する被処理基体載置台、４はヒーター、５は処理用ガス導入手段、６は排気口、８はマイクロ波を処理室１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、９９はマイクロ波を無終端環状導波管８へ導入するマイクロ波導入部、１１は無終端環状導波管８に設けたスロット、９８はマイクロ波導入部下のスロット、７は処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、１０は無終端環状導波管８に内臓された冷却水路である。マイクロ波導入部９９に、４スタブチューナ、方向性結合器、アイソレータ、２．４５ＧＨｚマイクロ波電源（不図示）を順番に接続した。
【００１９】
無終端環状導波管８内壁断面寸法は、ＷＲＴ−２規格導波管と同じ２７ｍｍ×９６ｍｍである。また、無終端環状導波管８中心径は、１５２ｍｍである。無終端環状導波管８材質を、熱伝導性と電気伝導性の良いアルミニウムとした。
【００２０】
図２スロット配置例に、スロットの配置を示す。スロット１１、９８はマイクロ波管内波長の１/２毎に出現するマイクロ波定在波の強い電界部に設けられている。スロット１１、９８は、矩形で３ｍｍ幅２ｍｍ深であり、角度６０度、スロット中心直径１５２ｍｍに配置されている。マイクロ波導入部９９下スロット９８の長さは、４５ｍｍであり、その他スロット１１の長さ４８ｍｍより短い。また、マイクロ波導入部９９下のスロット９８の開口面積は、その他スロット１１の９４％である。
【００２１】
本発明マイクロ波放出装置により被処理基体を窒化する。冷却水路１０に冷却水が流れ無終端環状導波管８を室温に冷却している。被処理基体戴置台３をヒーター４により加熱し２００℃にする。表面に厚さ２ｎｍのシリコン酸化膜の付いた被処理基体２を被処理基体保持台３に搬送して載置する。次に、排気系（図示せず）を介して処理室１を真空排気する。続いて、窒素ガスを処理用ガス導入手段５を介し１００ｓｃｃｍ処理室１に導入する。次に、排気系に設けられたコンダクタンスバルブを調整し、処理室１を１３０Paに保持する。マイクロ波電源より１．５ｋWのマイクロ波を、無終端環状導波管８、誘電体７を介して、処理室１に供給し、処理室１でプラズマを発生させる。無終端環状導波管８に導入されたマイクロ波は、左右に二分配され、自由空間よりも長い管内波長をもって伝搬し、スロット９８、１１から誘電体７を介して処理室１に導入され、誘電体７表面を表面波として伝搬する。この表面波は、隣接するスロット間で干渉し、表面波定在波を形成する。この表面低在波によりプラズマを生成する。プラズマ中の窒素イオンは、被処理基体２近辺に拡散等で輸送され、被処理基体２表面に発生したイオンシースにより加速され、被処理基体２に衝突する。１分経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガスを停止し、処理室１内を０．１Pa以下まで真空排気した後、被処理基体２を処理室１外へ搬送する。
【００２２】
窒化処理後、被処理基体２表面シリコン酸窒化膜の酸化シリコン膜換算厚さをＫＬＡテンコール社製エリプソメーターで測定したところ、２．７±０．２ｎｍであった。これは、スロット長さを全て３７ｍｍとした固定長スロットを用いた場合と同等の均一性である。
【００２３】
また、プラズマ処理中のマイクロ波反射電力は、マイクロ波入射電力の約３０％まで低下した。これをマイクロ波電圧定在波比で表すと約１.７となり、マイクロ波電源回路を安全に利用できるまで改善している。本発明においては、スロット長を従来技術より長い４８ｍｍと４５ｍｍにしスロット開口面積を大きくしたため、マイクロ波放射率を改善でき、マイクロ波電圧定在波比を小さくできた。
【００２４】
このように、本発明マイクロ波放出装置は、マイクロ波放出均一性と低マイクロ波電圧定在波比を両立する効果を持つ。
【００２５】
また、スロット１１、９８はマイクロ波管内波長の１/２毎に出現するマイクロ波定在波の表面電流の強い部分に設けられている。マイクロ波定在波の表面電流の強い部分にスロットを設けることにより、スロットから処理室１へのマイクロ波を放出しやすくし、マイクロ波電圧定在波比を小さくする効果がある。これは、マイクロ波定在波の弱い電界部にスロットを設けた実験において処理室１へマイクロ波をほとんど導入できなかったことから、明らかである。また、スロットを等間隔に配置することにより、マイクロ波を処理室１に均等に放出する効果がある。
【００２６】
本実施例においては、スロット長を４８ｍｍと４５ｍｍとしたが、これに限るものではない。スロット長は概ね４０から６０ｍｍの範囲で良い。また、マイクロ波導入部９９に最も近いスロット９８長さは、その他スロット１１長さの概ね５０から１００％未満であれば良い。
【００２７】
（実施形態２）
本発明マイクロ波放出装置のスロットのマイクロ波放出率を、図３スロット配置例のように、スロット幅によりスロット開口面積を変えることで調節する例を示す。
【００２８】
スロット１１、９８はマイクロ波管内波長の１/２毎に出現するマイクロ波定在波の強い電界部に設けられている。スロット１１、９８は、矩形であり、角度６０度、スロット中心直径１５２ｍｍに配置されている。マイクロ波導入部９９下スロット９８幅は、その他スロット１１幅より狭い。また、マイクロ波導入部９９下のスロット９８の開口面積は、その他スロット１１より小さい。
【００２９】
マイクロ波導入部９９に最も近いスロット９８幅のみをその他スロット１１幅より狭くし、マイクロ波放出均一性と低マイクロ波電圧定在波比を両立する効果を得る。
【００３０】
その他スロット１１の幅は概ね１から５ｍｍの範囲で良い。また、マイクロ波導入部９９に最も近いスロット９８幅は、その他スロット１１幅の概ね５０から１００％未満であれば良い。
【００３１】
スロット長を変えてスロット開口面積を変える場合と比較し、スロット幅により変える場合、マイクロ波放出均一性を得やすい。これは、小さな幅変動でより大きくスロット開口面積を変えられるので、スロット配置対称性を得やすいためである。
【００３２】
（実施形態３）
本発明マイクロ波放出装置のスロットのマイクロ波放出率を、図４スロット断面例のように、スロット深さにより調節する例を示す。スロットを深くするとマイクロ波放出率は低下する。例えば矩形４２ｍｍ×３ｍｍにおいて、深さ５ｍｍ以上でマイクロ波放出率は実質的にゼロになる。
【００３３】
マイクロ波導入部９９下のスロット９８深さをその他スロット１１より深くするため、図４（ａ）（ｂ）では、スロット９８近傍のスロット板を厚くしている。図４（ｃ）（ｄ）では、スロット１１近傍のスロット深さを薄くしている。スロット１１とスロット９８の開口面積は同等である。切削や、溶接、電気良導体を貼り付ける、別加工したスロットを嵌め込む等の方法により、これらスロットを加工可能である。
【００３４】
マイクロ波導入部９９に最も近いスロット９８深さのみをその他スロット１１より深くし、マイクロ波放出均一性と低マイクロ波電圧定在波比を両立する効果を得る。
【００３５】
スロット数やスロット形状等により最適なスロット深さは決まる。４２ｍｍ×３ｍｍ矩形スロットでスロット１１深さを２ｍｍとした場合、スロット９８深さは概ね２〜４ｍｍの範囲で良い。
【００３６】
スロット９８周辺加工形状は、放電しないようにまたマイクロ波の反射を小さくするように、なだらかな形状で厚すぎず薄すぎないようにすれば良く、図４例に限定されるものではない。例えば、円丘や多段傾斜であっても良い。
【００３７】
（実施形態４）
本発明マイクロ波放出装置例を、図５により、説明する。図５マイクロ波放出装置例は、図１実施例に誘電体窓７の熱を無終端環状導波管８に逃す伝熱体９６を更に備えている。
【００３８】
スロット９８近辺よりスロット１１近辺を薄くしている。スロット１１とスロット９８の開口面積は同等である。
【００３９】
伝熱体９６は、誘電体窓７から冷却水路７へ熱を逃がしている。誘電体窓７は、プラズマによって加熱され２００〜２５０℃になる。誘電体窓７が高温になると、誘電体窓７下にある真空シール用Ｏリングが損耗したり、熱応力により誘電体窓７が破損しやすい。よって、誘電体窓７を冷却している。
【００４０】
スロット１１近辺を除く無終端環状導波管下部９５を厚くすると、誘電体窓７から伝熱体９６を介し無終端環状導波管下部９５に伝えられた熱を冷却水路１０に伝えやすく、誘電体窓７をより低温に保つ。誘電体窓７を低温に保つことで、真空シールＯリングの損耗を抑え、熱応力による誘電体窓７の破損を防止している。つまり、スロット１１近辺を除く無終端環状導波管下部９５を厚くすることで、誘電体窓７破損とＯリング損耗を防止する効果を得る。
【００４１】
マイクロ波導入部９９下スロット９８のスロット深さのみを他のスロット１１より深くすることにより、マイクロ波放出均一性と低マイクロ波電圧定在波比を両立する効果を得る。
【００４２】
伝熱体９６は、熱伝導性の良い誘電体が好ましい。例えば、信越化学製伝熱ゴムシート等を利用すればよい。
【００４３】
（実施形態５）
本発明マイクロ波放出装置例を、図６により、説明する。図６マイクロ波放出装置例は、図１実施例にマイクロ波導入部９９を更に一つ備えている。マイクロ波は、Ｅ分岐９７において左右に二分配され無終端環状導波管８へ導入される。無終端環状導波管８に導入されたマイクロ波は、さらに左右に二分配され、自由空間よりも長い管内波長をもって伝搬し、スロット９８、１１から誘電体７を介して処理室１に導入され、誘電体７表面を表面波として伝搬する。この表面波は、隣接するスロット間で干渉し、電界を形成する。
【００４４】
二つのマイクロ波導入部９９下スロット９８のマイクロ波放出率は、その他スロット１１より小さい。また、スロット９８のマイクロ波放出率は互いに同等である。スロットからのマイクロ波放出率を、スロット開口面積で調節しても良いし、スロット深さで調節しても良い。
【００４５】
マイクロ波導入部９９下スロット９８のマイクロ波放出効率をその他スロット１１より小さくすることにより、マイクロ波放出均一性と低マイクロ波電圧定在波比を両立する効果を得る。
【００４６】
マイクロ波導入部を複数にすることで、マイクロ波放出均一性を改善している。無終端環状導波管８では、何らかの理由でマイクロ波導入部から見た左右の対称性が悪化すると、左右に等しいマイクロ波電力を分配できずマイクロ波放出均一性が悪化する。また、無終端環状導波管８のマイクロ波導入部９９より遠くなるにつれ無終端環状導波管８内マイクロ波強度が低下し、マイクロ波放出均一性が悪化する。本実施例のようにマイクロ波導入部９９を複数にすると、マイクロ波の左右分配偏りを緩和でき、また、マイクロ波導入部９９に最も遠いスロットまでの距離を短縮でき、マイクロ波放出均一性を改善する効果を得る。
【００４７】
これら実施例においては、スロットを矩形としたが、これに限るものではない。図７スロット形状例に示すように波形であっても良いし、（まあ原文でいいか）平行四辺形や楕円であっても良い。ただし、尖った形状は、放電しやすいので、好ましくない。
【００４８】
また、同一形状の幅や長さを変えることで、スロット１１よりスロット９８のマイクロ波放出率を小さくしているが、これに限るものではない。例えば、スロット１１が矩形でスロット９８が楕円や波形であっても良いし、その逆でも良い。また、スロット深さ、形状、幅、長さを組み合わせマイクロ波放出率を調節しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明マイクロ波放出装置例
【図２】スロット配置例
【図３】スロット配置例
【図４】スロット断面例
【図５】本発明マイクロ波放出装置例
【図６】本発明マイクロ波放出装置例
【図７】スロット形状例
【図８】従来技術マイクロ波放出装置例
【符号の説明】
【００５０】
１  処理室
２  被処理基体
３  被処理基体載置台
４  ヒーター
５  処理用ガス導入手段
６  排気口
７  誘電体窓
８  スロット付無終端環状導波管
１０  冷却水路
１１  スロット
９５  無終端環状導波管下部
９６  伝熱体
９７  Ｅ分岐
９８  マイクロ波導入部下スロット
９９  マイクロ波導入部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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